(57)【要約】【課題】不可避的な接触又は抗力に対して分離が可能な多関節装置を提供する。【解決手段】多関節装置Ｍは複数の関節装置１０を備える。関節装置１０は、アーム１の一端部とアーム２の他端部とが可動自在に連結する。アーム１及び異なる関節装置１０のアーム２が共有の軸心を有する。アーム１の他端面と異なる関節装置１０のアーム２の一端面とが結合する。アーム１はＮ極を有する第１強磁性体４を他端面に備え、アーム２はＳ極を有する第２強磁性体５を一端面に備える。アーム１と異なる関節装置１０のアーム２とは、第１強磁性体４と第２強磁性体５とが磁気結合する。又、アーム１と異なる関節装置１０のアーム２とは、共有の軸心を屈折させる強い力が作用すると、第１強磁性体４と第２強磁性体５が分離する磁力で結合している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のアームの一端部と他方のアームの他端部とが互いに可動自在に連結する関節装置を複数備え、前記一方のアーム、及び異なる前記関節装置の他方のアームが共有の軸心を有し、かつ、前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面とが結合して当該関節装置を連設する多関節装置であって、
前記一方のアームは、一方の極性を有する第１強磁性体を他端面に備え、
前記他方のアームは、他方の極性を有する第２強磁性体を一端面に備え、
前記一方のアームと前記異なる関節装置の他方のアームとは、前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とが磁気結合すると共に、前記共有の軸心を屈折させる力が作用したとき、当該第１強磁性体と当該第２強磁性体が分離する磁力で結合している多関節装置。
【請求項２】
前記一方のアームに備わる前記第１強磁性体と前記異なる関節装置の他方のアームに備わる前記第２強磁性体とは、互いに磁気結合する平坦面を有する請求項１記載の多関節装置。
【請求項３】
前記第１強磁性体及び前記第２強磁性体は、円板状に形成されている請求項１又は２記載の多関節装置。
【請求項４】
前記一方のアームは、前記第１強磁性体を中心部に配置し、前記他方のアームは、前記第２強磁性体を中心部に配置している請求項１から３のいずれかに記載の多関節装置。
【請求項５】
前記第１強磁性体又は前記第２強磁性体の少なくとも一方は、軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように周囲が弾性支持されている請求項４記載の多関節装置。
【請求項６】
前記第１強磁性体又は前記第２強磁性体の少なくとも一方は、粘弾性体で周囲が支持されている請求項５記載の多関節装置。
【請求項７】
前記関節装置は、
関節部に配置する交差歯車であって、第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１歯車と第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２歯車とが中心を共有し、かつ前記第１円周を含む第１平面と前記第２円周を含む第２平面とが直交する交差歯車と、
前記一方のアームに設けられて前記第１歯車と噛み合う第３歯車と、
前記他方のアームに設けられて前記第２歯車と噛み合う第４歯車と、を備え、
前記一方のアームは、前記第３歯車と同軸上に配列する第１ウォームホィールと、この第１ウォームホィールと噛み合う第１ウォームギヤと、この第１ウォームギヤを回転する第１モータと、を有し、
前記他方のアームは、前記第４歯車と同軸上に配列する第２ウォームホィールと、この第２ウォームホィールと噛み合う第２ウォームギヤと、この２ウォームギヤを回転する第２モータと、を有する請求項１から６のいずれかに記載の多関節装置。
【請求項８】
前記交差歯車は、前記第１歯車の中心軸方向に延びて前記第２歯車の両翼に外在する第１回動軸と、前記第２歯車の中心軸方向に延びて前記第１歯車の両翼に外在する第２回動軸と、を有し、
前記一方のアームは、前記第１回動軸の両端部を回動可能に支持する第１支持端末を有し、
前記他方のアームは、前記第２回動軸の両端部を回動可能に支持する第２支持端末を有する請求項７記載の多関節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多関節装置に関する。特に、ロボット、又はマニピュレーターなどに用いられる多関節装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットは、人間に類似した動作や形態を有し、コンピュータ制御により複雑な動作を自動化している。産業用ロボットは、物品を搬送又は移載することを主用途としており、多関節型、円筒・極座標型、直交座標型などに分類されている。この内、関節装置を連設した多関節型の産業用ロボットは、動作範囲が大きいという利点があるため、広く利用されている。
【０００３】
マニピュレーターは、多関節型のロボットの一種であり、人間の手の構造を模した機械を遠隔から操作して、人間の代わりに作業ができる。マニピュレーターは、人間が立ち入ることが困難な放射線下、又は高温下での作業を可能としている。
【０００４】
例えば、関節装置をモジュール化したモジュール型マニピュレーターは、モジュール型マニピュレーターに設けられた複数の関節装置を協調的に動作させ、これらの関節装置、つまり多関節装置を自律分散的に制御すれば、部分的な故障に対して柔軟に対処することが可能となるため、人間が接近困難な宇宙空間での作業を容易とする。又、モジュールを数多く連結することで、非常に大きな自由度を有するマニピュレーターを構成することができ、柔軟な動きや障害物が入り組んだ狭い環境での作業を可能にする。
【０００５】
前述したモジュール型マニピュレーターに類似した構造体として、同一構造のモジュールを多数用いて、宇宙空間、原子炉などの極限環境で独立して自由な形状に変形し、自由に移動でき、種々の作業を行うことができる三次元構造物の自動組立体、いわゆる、Ｍ−ＴＲＡＮ（ｍｏｄｕｌａｒ  ｔｒａｎｓｆｏｍｅｒ）が発明されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１による自動組立体のモジュールは、一対の半月体状の結合部材を連結部材（リンク）で相互に屈折自在に連結している。モジュールの連結部材を囲む各結合部材の３面の内の１面は、他のモジュールの連結部材を囲む各結合部材の３面の内の１面と結合できる。
【０００７】
しかし、モジュール同士の結合には、条件があり、第１結合部材（アクティブ・ブロック）の面と第２結合部材（パッシブ・ブロック）の面とのみが結合できる。特許文献１による自動組立体は、各モジュールを複数結合し個々に独立して結合・離脱操作、モータを駆動し、全体の構造物を種々の形状に変形しながら移動する機能を有している。
【０００８】
第１結合部材は、圧縮コイルばねで内部に付勢された複数のＮ極のマグネットを前記３面に備えている。一方、第２結合部材は、前記３面に複数のＳ極のマグネットを備えている。したがって、第１結合部材の１面と第２結合部材の１面とを近接すると、圧縮コイルばねの付勢力に抗して、複数のＮ極のマグネットが移動し、複数のＳ極のマグネットに吸着する。つまり、第１結合部材と第２結合部材とを結合できる。
【０００９】
更に、第１結合部材は、形状記憶合金ばねを内部に備えている。形状記憶合金ばねは、通電すると、この形状を変えて（伸びて）、複数のＮ極のマグネットを内部に引き戻すように配置されている。つまり、第１結合部材の内部に備わる形状記憶合金ばねを通電すると、第１結合部材と第２結合部材とを分離できる。
【００１０】
特許文献１による自動組立体のモジュールは、様々な組合せが可能であり、例えば、格子状にモジュールを構成すれば、４足歩行ロボットのような動きも可能である。又、特許文献１による自動組立体のモジュールを直線状に連鎖すれば、前述した自律分散的なモジュール型マニピュレーターの実現も可能と考えられる。
【特許文献１】特開２００１−２００９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述した自律分散的なモジュール型マニピュレーターは、宇宙ステーションの船内での作業ロボット、又は室内での家事支援ロボットとして、その応用が期待されている。しかし、狭い船内又は狭い室内で人間と協調してこれらのロボットが作業するためには、例えば、連設したモジュールに複数の接触センサを設けて、人体や障害物との接触を回避するなど、制御系が肥大化するという問題がある。
【００１２】
これらのロボットでは、連設したモジュールに作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避するよりも、モジュール同士の結合を解除して、つまりモジュール同士が分解して、しかる後にモジュール同士を再結合する方が、むしろ安全であり、制御系が肥大化することもなくなる。
【００１３】
特許文献１による自動組立体は、モジュール同士を結合又は分離できる。しかし、モジュール同士の結合を解除するためには、形状記憶合金ばねを通電する必要がある。結局は、モジュール同士の分離を能動的に制御することになり、連設したモジュールに作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避する、従来のロボットと技術的思想に大きな相違はないと考えられる。
【００１４】
したがって、連設したモジュールに作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、モジュール同士を受動的に分離することが可能な多関節装置が求められている。そして、以上のことが本発明の課題といってよい。
【００１５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、連設したモジュールに作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、モジュール同士を受動的に分離することが可能な多関節装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、一方のアームと他方のアームとを分解が容易に磁気結合することにより、上記の課題が解決可能なことを見出し、これに基づいて、以下のような新たな多関節装置を発明するに至った。
【００１７】
（１）  一方のアームの一端部と他方のアームの他端部とが互いに可動自在に連結する関節装置を複数備え、前記一方のアーム、及び異なる前記関節装置の他方のアームが共有の軸心を有し、かつ、前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面とが結合して当該関節装置を連設する多関節装置であって、前記一方のアームは、一方の極性を有する第１強磁性体を他端面に備え、前記他方のアームは、他方の極性を有する第２強磁性体を一端面に備え、前記一方のアームと前記異なる関節装置の他方のアームとは、前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とが磁気結合すると共に、前記共有の軸心を屈折させる力が作用したとき、当該第１強磁性体と当該第２強磁性体が分離する磁力で結合している多関節装置。
【００１８】
（１）の発明による多関節装置は、複数の関節装置を備えている。関節装置は、一方のアームの一端部と他方のアームの他端部とが互いに可動自在に連結している。そして、一方のアーム、及び異なる関節装置の他方のアームが共有の軸心を有している。又、一方のアームの他端面と、異なる関節装置の他方のアームの一端面とが結合して関節装置を連設している。
【００１９】
一方のアームは、一方の極性を有する第１強磁性体を他端面に備えている。他方のアームは、他方の極性を有する第２強磁性体を一端面に備えている。一方のアームと異なる関節装置の他方のアームとは、第１強磁性体と第２強磁性体とが磁気結合する。又、一方のアームと異なる関節装置の他方のアームとは、共有の軸心を屈折させる力が作用したとき、第１強磁性体と第２強磁性体が分離する磁力で結合している。
【００２０】
ここで、関節装置は、関節部において旋回と斜行の２自由度をもつ円筒・極座標型の関節装置であってよく、後述する関節部において、互いに直交する方向に回動する２自由度をもつ節装置であってよく、一方のアームの一端部と他方のアームの他端部とが互いに可動自在に連結している関節装置は、（１）の発明による多関節装置に含まれる。
【００２１】
一方のアーム又は他方のアームは、筒状に形成されることが好ましく、丸パイプを含んでよく、角パイプを含んでよい。アーム内に部品（要素）を実装するために、パイプを分割（半割）してもよく、部品を実装した後に分割されたパイプを結合してもよい。
【００２２】
一方のアーム、及び異なる関節装置の他方のアームが共有の軸心を有するように、一方のアーム、及び異なる関節装置の他方のアームが同軸に配置されることが好ましく、一方のアームの軸心に略直交する他端面と異なる関節装置の他方のアームの軸心に略直交する一端面とが突き合わされるように結合することが好ましい。
【００２３】
第１及び第２強磁性体は、固体状態の永久磁石が好ましく使用される。第１及び第２強磁性体は、磁性粉を合成ゴムに混合したマグネットシートでもよい。一方の極性はＳ極であってよく、他方の極性はＮ極であってよく、一方の極性がＮ極であって、他方の極性がＳ極であってもよい。
【００２４】
（１）の発明による多関節装置は、一方のアームの他端面と異なる関節装置の他方のアームの一端面とを近接すると、磁気結合できる。複数の関節装置を連設すれば、多関節装置を構成できる。複数の関節装置を協調的に動作させ、これらの関節装置、つまり多関節装置を自律分散的に制御することが好ましい。
【００２５】
又、（１）の発明による多関節装置は、共有の軸心を屈折させる力が作用したとき、第１強磁性体と第２強磁性体が分離する。つまり、共有の軸心に曲げモーメントが作用すると、第１強磁性体と第２強磁性体とが剥離するように分離する。分離された一方のアームと異なる関節装置の他方のアームは、前述したように近接すれば、再結合できる。
【００２６】
このように、（１）の発明による多関節装置は、連設した関節装置（モジュール）に作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、関節装置同士を受動的に分離することが可能な多関節装置を実現できる。
【００２７】
（２）  前記一方のアームに備わる前記第１強磁性体と前記異なる関節装置の他方のアームに備わる前記第２強磁性体とは、互いに磁気結合する平坦面を有する（１）記載の多関節装置。
【００２８】
（３）  前記第１強磁性体及び前記第２強磁性体は、円板状に形成されている（１）又は（２）記載の多関節装置。
【００２９】
（４）  前記一方のアームは、前記第１強磁性体を中心部に配置し、前記他方のアームは、前記第２強磁性体を中心部に配置している（１）から（３）のいずれかに記載の多関節装置。
【００３０】
（５）  前記第１強磁性体又は前記第２強磁性体の少なくとも一方は、軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように周囲が弾性支持されている（４）記載の多関節装置。
【００３１】
軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように弾性支持されているモデルとしては、外力に対して応答速度の速い引張りコイルばねと、応答速度の遅いダッシュポットを並列に配置したケルビン・フォークモデルが考えられる。実体として、このような粘性及び弾性の両機能を合わせもつ物体としては、後述する粘弾性体が好ましい。
【００３２】
（５）の発明による多関節装置は、第１強磁性体又は第２強磁性体の少なくとも一方が軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように周囲が弾性支持されているので、関節装置に働く力の大きさや向きが時間に関係なく一定な静荷重に対しては、第１強磁性体又は第２強磁性体のいずれか一方が追従して両強磁性体が容易に分離しない。
【００３３】
一方、きわめて短時間に瞬間的に急激に働く衝撃荷重に対しては、第１強磁性体又は第２強磁性体のいずれかも追従することなく、両強磁性体が容易に分離できる。
【００３４】
（６）  前記第１強磁性体又は前記第２強磁性体の少なくとも一方は、粘弾性体で周囲が支持されている（５）記載の多関節装置。
【００３５】
粘弾性体は、合成樹脂などの高分子物質であってよく、ボロンスポンジ、熱可塑性エラストマー、ウレタンゴムなどが考えられる。
【００３６】
（７）  前記関節装置は、関節部に配置する交差歯車であって、第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第１歯車と第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設ける第２歯車とが中心を共有し、かつ前記第１円周を含む第１平面と前記第２円周を含む第２平面とが直交する交差歯車と、前記一方のアームに設けられて前記第１歯車と噛み合う第３歯車と、前記他方のアームに設けられて前記第２歯車と噛み合う第４歯車と、を備え、前記一方のアームは、前記第３歯車と同軸上に配列する第１ウォームホィールと、この第１ウォームホィールと噛み合う第１ウォームギヤと、この第１ウォームギヤを回転する第１モータと、を有し、前記他方のアームは、前記第４歯車と同軸上に配列する第２ウォームホィールと、この第２ウォームホィールと噛み合う第２ウォームギヤと、この２ウォームギヤを回転する第２モータと、を有する（１）から（６）のいずれかに記載の多関節装置。
【００３７】
（７）の発明による多関節装置は、関節装置が交差歯車を備えている。交差歯車は、関節部に配置されている。又、交差歯車は、第１歯車と第２歯車とが中心を共有している。第１歯車は、第１円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。第２歯車は、第２円周に等間隔に少なくとも複数の歯を設けている。更に、第１円周を含む第１平面と第２円周を含む第２平面とが直交している。
【００３８】
又、関節装置は、第３歯車と第４歯車を備えている。第３歯車は、一方のアームに設けられており、第１歯車と噛み合っている。第４歯車は、他方のアームに設けられており、第２歯車と噛み合っている。
【００３９】
又、一方のアームは、第１ウォームホィール、第１ウォームギヤ、及び第１モータを有している。第１ウォームホィールは、第３歯車と同軸上に配列している。第１ウォームギヤは、第１ウォームホィールと噛み合っている。第１モータは、第１ウォームギヤを回転できる。
【００４０】
他方のアームは、第２ウォームホィール、第２ウォームギヤ、及び第２モータを有している。第２ウォームホィールは、第４歯車と同軸上に配列している。第２ウォームギヤは、第２ウォームホィールと噛み合っている。第２モータは、第２ウォームギヤを回転できる。
【００４１】
例えば、関節装置は、一方のアームの伸長方向と他方のアームの伸長方向とを同軸上に配置できる。第３歯車を回転すれば、他方のアームに対して、一方のアームを可動できる。第４歯車を回転すれば、一方のアームに対して、他方のアームを可動できる。このように、（７）の発明による多関節装置に備わる関節装置は、１関節に２自由度を有するスリムな関節装置を実現できる。
【００４２】
周知のとおり、歯車伝動装置は、歯面同士のすべり接触によって確実な伝動を得ることができる。一般に、歯車伝動装置は、原動車（入力）が従動車（出力）に回転を伝動するが、（７）の発明による多関節装置に備わる関節装置は、第３歯車又は第４歯車の自転（入力）運動が交差歯車で規定される公転（出力）運動に変換される。この場合、公転軌跡は、歯車の噛み合いにより、確実に移動することができる。すなわち、（７）の発明による多関節装置に備わる関節装置は、確実な動作を実現できる。
【００４３】
又、第１ウォームギヤを回転すると、第１ウォームギヤの回転が第１ウォームホィールに伝動される。第３歯車は、第１ウォームホィールの回転に同期して回転してよく、交差歯車に従動されて、他方のアームに対して一方のアームを移動させる。第１ウォームギヤを回転停止すると、第１ウォームギヤと第１ウォームホィールとは、相互にロックされる。すなわち、第１ウォームホィールからの動力が第１ウォームギヤに伝達することなく、一対のアームの停止時の姿勢が保持される。
【００４４】
（７）の発明による多関節装置に備わる関節装置は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備える関節装置を提供できる。
【００４５】
（８）  前記交差歯車は、前記第１歯車の中心軸方向に延びて前記第２歯車の両翼に外在する第１回動軸と、前記第２歯車の中心軸方向に延びて前記第１歯車の両翼に外在する第２回動軸と、を有し、前記一方のアームは、前記第１回動軸の両端部を回動可能に支持する第１支持端末を有し、前記他方のアームは、前記第２回動軸の両端部を回動可能に支持する第２支持端末を有する（７）記載の多関節装置。
【発明の効果】
【００４６】
本発明による多関節装置は、共有の軸心を屈折させる強い力が作用すると、第１強磁性体と第２強磁性体が分離する。つまり、共有の軸心に曲げモーメントが作用すると、第１強磁性体と第２強磁性体とが剥離するように分離する。分離された一方のアームと異なる関節装置の他方のアームは、近接すれば再結合できる。
【００４７】
本発明による多関節装置は、連設した関節装置（モジュール）に作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、関節装置同士を受動的に分離することが可能な多関節装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４９】
図１は、本発明による多関節装置に備わる関節装置の一実施形態を示す外観図である。図２は、前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図である。図３は、前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図であり、他方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。図４は、前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図であり、一方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。
【００５０】
図５は、前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面を対向配置した図である。図６は、前記実施形態による多関節装置の外観図であり、複数の関節装置を連設した状態図である。
【００５１】
図７は、前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の外観図であり、一方のアームと、異なる関節装置の他方のアームが分離した状態図である。図８は、前記実施形態による多関節装置の外観図であり、関節装置に不可避的な接触又は抗力が発生した状態図である。図９は、前記実施形態による多関節装置の外観図であり、関節装置が分離した状態図である。
【００５２】
図１０は、前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面を対向配置した図であり、他方のアームの一端面に設けられた粘弾性体をモデルで示している。図１１は、前記一方のアームの他端面の正面図である。図１２は、前記異なる関節装置の他方のアームの他端面の正面図である。
【００５３】
図１３は、前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の正面図であり、一方のアームと、異なる関節装置の他方のアームが分離する直前の状態図である。図１４は、図１３に示された一組の関節装置が分離するときの寸法を求める図である。図１５は、前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の正面図であり、一対の強磁性体が結合した状態図である。
【００５４】
最初に、本発明の実施形態による多関節装置の構成を説明する。図１又は図２において、関節装置１０は、一方のアーム１の一端部と他方のアーム２の他端部とが互いに可動自在に連結している。関節装置１０は、交差歯車３と第３及び第４歯車１３・１４を備えている。交差歯車３は、関節部１ｊに配置されている。関節部１ｊは、伸縮性のカバー１ｋで覆われている。
【００５５】
図６に示されるように、多関節装置Ｍは、複数の関節装置１０を連設している。多関節装置Ｍは、一方のアーム１、及び異なる関節装置１０の他方のアーム２が共有の軸心１ｓ・２ｓを有している（図５参照）。又、多関節装置Ｍは、一方のアーム１の他端面と、異なる関節装置１０の他方のアーム２の一端面とが結合している。
【００５６】
図５において、一方のアーム１は、Ｎ極が外面を向く円板状の第１強磁性体４を他端面に備えている。他方のアーム２は、Ｓ極が外面を向く円板状の第２強磁性体５を一端面に備えている。
【００５７】
図７を参照すると、一方のアーム１と異なる関節装置１０の他方のアーム２とを近接すると、第１強磁性体４と第２強磁性体５とが磁気結合する。そして、図８に示されるように、一方のアーム１と異なる関節装置１０の他方のアーム２とは、共有の軸心１ｓ・２ｓを屈折させる強い力Ｆが作用すると、第１強磁性体４と第２強磁性体５が分離する磁力で結合している。
【００５８】
次に、本発明の実施形態による多関節装置に備わる関節装置の内部構成を説明する。
【００５９】
図２に示されるように、交差歯車３は、第１歯車３１と第２歯車３２とが中心を共有している。第１歯車３１は、ピッチ円となる第１円周に等間隔に複数の歯３１ａを設けている。第２歯車３２は、ピッチ円となる第２円周に等間隔に複数の歯３２ａを設けている。第１円周を含む仮想の第１平面と、第２円周を含む仮想の第２平面とが直交している。
【００６０】
図２から図４に示されるように、第３歯車１３は、アーム１に設けられている。第４歯車１４は、アーム２に設けられている。第３歯車１３は、第１歯車３１と噛み合っている。第４歯車１４は、第２歯車３２と噛み合っている。
【００６１】
又、図２から図４において、アーム１は、第１ウォームホィール１５と第１ウォームギヤ１６を有している。アーム２は、第２ウォームホィール１７と第２ウォームギヤ１８を有している。第１ウォームホィール１５は、第３歯車１３と同軸上に配列している。第１ウォームギヤ１６は、第１ウォームホィール１５と噛み合っている。第２ウォームホィール１７は、第４歯車１４と同軸上に配列している。第２ウォームギヤ１８は、第２ウォームホィール１７と噛み合っている。
【００６２】
図２から図４において、アーム１は、第１モータ１ｍを有している。第１モータ１ｍの出力軸は、第１ウォームギヤ１６に直結している。第１モータ１ｍを駆動すると、第１ウォームギヤ１６を回転できる。アーム１は、第１モータ１ｍの制御する制御回路（実体としてプリント基板）１ｃを収容している。
【００６３】
図２から図４において、アーム２は、第２モータ２ｍを有している。第２モータ２ｍの出力軸は、第２ウォームギヤ１８に直結している。第２モータ２ｍを駆動すると、第２ウォームギヤ１８を回転できる。アーム２は、第２モータ２ｍの制御する制御回路（実体としてプリント基板）２ｃを収容している。
【００６４】
図２から図４において、交差歯車３は、第１回動軸３１ｓと第２回動軸３２ｓを有している。第１回動軸３１ｓは、第１歯車３１の中心軸方向に延びて、第２歯車３２の両翼に外在している。第２回動軸３２ｓは、第２歯車３２の中心軸方向に延びて、第１歯車３１の両翼に外在している。
【００６５】
図２から図４において、アーム１は、外管１ａと内管１ｂで構成された二重管となっている。同様に、アーム２は、外管２ａと内管２ｂで構成された二重管となっている。そして、内管１ｂは、第１回動軸３１ｓの両端部を回動可能に支持する一対の第１支持端末１ｄ・１ｄを有している。内管２ｂは、第２回動軸３２ｓの両端部を回動可能に支持する一対の第１支持端末２ｄ・２ｄを有している。
【００６６】
図示の実施形態で示された関節装置１０は、アーム１の伸長方向とアーム２の伸長方向が同軸上に配置している。関節装置１０は、第３歯車１３を回転すれば、アーム２に対して、アーム１を可動できる（図４参照）。第４歯車１４を回転すれば、アーム１に対して、アーム２を可動できる（図３参照）。このように、本発明の実施形態による多関節装置Ｍに備わる関節装置１０は、１関節に２自由度を有するスリムな関節装置を実現できる。
【００６７】
又、実施形態による関節装置１０は、第３歯車１３又は第４歯車１４の自転運動が交差歯車３で規定される公転運動に変換される。この場合、公転軌跡は、歯車の噛み合いにより、確実に移動することができるので、関節装置１０は、確実な動作を実現できる。
【００６８】
図２において、第１ウォームギヤ１６を回転すると、第１ウォームギヤ１６の回転が第１ウォームホィール１５に伝動される。第３歯車１３は、第１ウォームホィール１５の回転に同期して回転する。そして、第３歯車１３は、交差歯車３の第１歯車３１に従動されて、アーム２に対してアーム１を移動させる（図４参照）。
【００６９】
図２において、モータ１ｍの回転を停止すると、第１ウォームギヤ１６と第１ウォームホィール１５とは、相互にロックされる。すなわち、第１ウォームホィール１５からの動力が第１ウォームギヤ１６に伝達することなく、一対のアーム１・２の停止時の姿勢が保持される（図４参照）。
【００７０】
同様に、図２において、第２ウォームギヤ１８を回転すると、第２ウォームギヤ１８の回転が第２ウォームホィール１７に伝動される。第４歯車１４は、第２ウォームホィール１７の回転に同期して回転する。そして、第４歯車１４は、交差歯車３の第２歯車３２に従動されて、アーム１に対してアーム２を移動させる（図３参照）。
【００７１】
図２において、モータ２ｍの回転を停止すると、第２ウォームギヤ１８と第２ウォームホィール１７とは、相互にロックされる。すなわち、第２ウォームホィール１７からの動力が第２ウォームギヤ１８に伝達することなく、一対のアーム１・２の停止時の姿勢が保持される（図３参照）。
【００７２】
このように、本発明の実施形態による多関節装置Ｍに備わる関節装置１０は、出力側からの動力が入力側に伝達することなく、停止時の姿勢が保持される不可逆な機構を備え、リセットすることなく動作を再開可能な関節装置を提供できる。
【００７３】
又、実施形態による関節装置１０は、関節部１ｊにモータを備えていないので、スリムな関節装置を実現できる。交差歯車３は、理論的には無限に小さくでき、一方のアームの端部と他方のアームの端部が交差する関節部に内蔵することも可能であり、少なくとも関節部を膨張させる必然性はない。
【００７４】
次に、本発明の実施形態による多関節装置に備わる関節装置の端末構造を説明する。図５を参照すると、アーム１には、正極用の電源ジャック４ａと負極用の電源プラグ４ｂを設けている。一方、アーム２には、正極用の電源プラグ５ａと負極用の電源ジャック５ｂを設けている。アーム１と異なる関節装置１０のアーム２とを接続すると、電源ジャック４ａと電源プラグ５ａが接続し、電源プラグ４ｂと電源ジャック５ｂが接続できる。そして、一対の関節装置１０・１０に電力を供給できる。
【００７５】
又、図５を参照すると、アーム１には、光通信用のポート４ｃを設けている。一方、アーム２には、光通信用のポート５ｃを設けている。アーム１と異なる関節装置１０のアーム２とを接続すると、ポート４ｃとポート５ｃとが連通し、一対の関節装置１０・１０の相互通信が可能になる。つまり、多関節装置Ｍを自律分散的に光通信で制御するモジュール型マニピュレーターが可能になる。
【００７６】
図５を参照すると、アーム１に備わる第１強磁性体４と異なる関節装置１０のアーム２に備わる第２強磁性体５とは、互いに磁気結合する平坦面４ｓ・５ｓを有している。又、アーム１は、第１強磁性体４を中心部に配置し、アーム２は、第２強磁性体５を中心部に配置している。第１強磁性体４は、アーム１の端面から窪んで配置され、第２強磁性体５は、アーム２の端面から突出して配置されているが、第１強磁性体４がアーム１の端面から突出して配置され、第２強磁性体５がアーム２の端面から窪んで配置されてもよい。
【００７７】
次に、本発明の実施形態による多関節装置の作用を説明する。図７を参照すると、本発明の実施形態による多関節装置Ｍは、アーム１の他端面と異なる関節装置１０のアーム２の一端面とを近接すると、磁気結合できる。図６に示されるように、複数の関節装置１０を連設すれば、多関節装置Ｍを構成できる。複数の関節装置１０を協調的に動作させ、これらの関節装置１０、つまり多関節装置Ｍを自律分散的に制御することが好ましい。
【００７８】
図５及び図８を参照すると、多関節装置Ｍは、共有の軸心１ｓ・２ｓを屈折させる強い力が作用すると、第１強磁性体４と第２強磁性体５が分離する。つまり、共有の軸心１ｓ・２ｓに曲げモーメントが作用すると、第１強磁性体４と第２強磁性体５とが剥離するように分離する。
【００７９】
そして、図９に示されるように、衝撃的な力が作用した特定の関節装置１０が連設していた他の関節装置１０と分離する。つまり、特定の関節装置１０が分解する。分離されたアーム１と異なる関節装置１０のアーム２は、前述したように近接すれば、再結合できる（図７参照）。
【００８０】
このように、本発明の実施形態による多関節装置Ｍは、連設した関節装置１０に作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、関節装置１０同士を受動的に分離することが可能な多関節装置を実現できる。
【００８１】
図１０は、一方の強磁性体に粘弾性体を設けた一対の関節装置１０・１０の端末構造を示している。図１０において、アーム１の端面には、円板状の第１強磁性体４が中心部に固定されている。一方、アーム２の端面には、円板状の第２強磁性体５が中心部に配置されている。
【００８２】
図１０に示された第２強磁性体５は、外力に対して応答速度の速い引張りコイルばね６ａと、応答速度の遅いダッシュポット６ｂとを並列に配置した三つの粘弾性体６で周囲が均等に支持されている。つまり、第２強磁性体５は、軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように周囲が弾性支持されている。
【００８３】
図１０に示された引張りコイルばね６ａ及びダッシュポット６ｂは、ケルビン・フォークモデルを図式化したものであって、このような粘性及び弾性の両機能を合わせもつ実体としては、ウレタンゴムなどの粘弾性体６が使用される。
【００８４】
図１０に示された関節装置１０を連設する多関節装置Ｍは、第２強磁性体５が軸方向の引張り力に対して応答速度を緩和するように周囲が弾性支持されているので、関節装置１０に働く力の大きさや向きが時間に関係なく一定な静荷重に対しては、第２強磁性体５が追従して両強磁性体が容易に分離しない。
【００８５】
一方、きわめて短時間に瞬間的に急激に働く衝撃荷重に対しては、第１強磁性体又は第２強磁性体のいずれかも追従することなく、両強磁性体が容易に分離できる。つまり、緩慢な動きには追従するが急激な動きには追従が困難な、衝撃力で分離可能な結合機構を実現できる。
【００８６】
次に、本発明の実施形態による多関節装置に備わる関節装置の試作品について端末構造を説明する。
【００８７】
図１０に示された実体としての粘弾性体６には、適度に柔らかい（弾性が弱く、かつ粘性が高い）ウレタンゴムを採用した。第１強磁性体４及び第２強磁性体５には、耐腐食性があり、剛性が有りながら磁力の高い直径１２ｍｍの円板に成形されたネオジム磁石を使用した。そして、円板のウレタンゴムの中心部にネオジム磁石をビスで固定した（図１０参照）。
【００８８】
アーム１には、外径が５４ｍｍで肉厚Ｄが２ｍｍのアクリル製の円筒を用いた（図１１）。アーム１の端末は、段付き構造とし、その段差の深さＸを５ｍｍとした。又、この段の外径Ｒを４９．９ｍｍとした。
【００８９】
同様に、アーム２には、外径が５４ｍｍで肉厚Ｄが２ｍｍのアクリル製の円筒を用いた（図１２）。そして、アーム１の端末は、アーム１の段差が嵌合する内径ｒを５０．１ｍｍに加工した。
【００９０】
アーム２の内周にアーム１の段差が嵌合することにより、一対の関節１０・１０が結合した状態での強度と精度が確保される。アーム１とアーム２とのはめ合いが「すきまばめ」から「しまりばめ」に移行するにしたがって、一対の関節１０・１０が結合した状態での強度と精度が確保される。しかし、多関節装置に衝撃力が作用したときに、関節１０が容易に分離できるように、段差の深さＸを５ｍｍに設定し、アーム１とアーム２とのはめ合いを０．２ｍｍの隙間を設ける「すきまばめ」に設定した。
【００９１】
前述した試作品では、静荷重として、アーム１とアーム２の軸方向と直交する方向に働くトルクが「０．２６」Ｎ・ｍ、アーム１とアーム２を軸方向に分離するように働く引張り力が１４．７Ｎまで耐えることができた。一方、アーム１とアーム２の共有の軸心を屈折させる衝撃力に対しては、前述の静荷重トルクの２／３程度で容易に分離できた。
【００９２】
図１３及び図１４を参照すると、段差の深さＸの最大値を求めることができる。アーム１とアーム２が相対的に傾斜して分離する距離Ｘ１は、三平方の定理を使って、Ｘ１＝４．４７２１ｍｍが求められる。同じく、三平方の定理ならびに三角形の相似からＸ＝４．６５０６ｍｍが求められる。つまり、段差の深さＸは「４．６５０６」ｍｍ以下が好ましい。
【００９３】
次に、磁石の強さと一対の磁石を分離する力の関係を説明する。
【００９４】
磁石の強さをＸ［Ｇ］（ガウス）とすると、１［Ｇ］＝１０−４［Ｔ］（テスラ）なので、Ｘ［Ｇ］＝Ｘ×１０−４［Ｔ］となる。
【００９５】
一対の磁石が軸方向に吸着する磁石の引力をＦ［Ｎ］とおき、
磁力の式、Ｆ＝Ｂ２×Ｓ／２μ０を用いてＦ［Ｎ］を求める。
・Ｂ（磁石２つの磁束密度）＝２Ｘ×１０−４［Ｔ］
・Ｓ（磁石の面積）＝Ｓ［ｍ２］
・μ０（真空中の透磁率）＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］
を上式に代入して整理すると、
Ｆ＝（２×１０−４×Ｘ）２×Ｓ／２×４π×１０−７
Ｆ＝４Ｘ２×Ｓ×１０−８／２５．１３×１０−７≒０．０１６Ｘ２×Ｓ［Ｎ］となる。
【００９６】
図１５を参照すると、支点Ｆｕから一対の第１及び第２強磁性体４・５の中心までの距離Ｄｒ／２は、前述の試作品では２７ｍｍとなるので、一対の第１及び第２強磁性体４・５を分離するために必要なトルクＴｒは、以下のとおりとなる。
Ｔｒ＝０．０１６Ｘ２×Ｓ［Ｎ］×２７×１０−３［ｍ］
Ｔｒ＝４．３２Ｘ２×Ｓ×１０−４［Ｎ・ｍ］
【００９７】
前述のとおり、一対の第１及び第２強磁性体４・５を分離するために必要なトルクＴｒは、磁石の強さＸの二乗と磁石の面積に依存することが解る。又、一対のアーム１・２の結合点から一対のアーム１・２の半径以上になれば、前記のトルクＴｒ以下で一対の第１及び第２強磁性体４・５を分離できる。
【００９８】
本発明の実施形態による多関節装置は、連設したモジュールに作用する不可避的な接触又は抗力に対して制御系で回避することなく、モジュール同士を受動的に分離することが可能である。そして、磁石の強さと磁石の面積を適宜に設定し、一対のアームの端部同士をはめ合いを適宜な「すきまばめ」に設定し、粘弾性体の特性を吟味すれば、宇宙ステーションの船内で人間との協調作業が可能な自律分散的なモジュール型マニピュレーターが実現できる。
【００９９】
又、本発明の実施形態による多関節装置は、室内での家事支援ロボットとして応用してもよく、人間と対面するアミューズメントロボットとしても応用が期待できる。更に、本発明の実施形態による多関節装置は、同じ形状の関節装置に分解できるので、梱包容量が制限される宇宙ステーションの輸送などに有利である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明による多関節装置に備わる関節装置の一実施形態を示す外観図である。
【図２】前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図である。
【図３】前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図であり、他方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。
【図４】前記実施形態による多関節装置に備わる関節装置の縦断面図であり、一方のアームが傾斜した状態を想像線で示している。
【図５】前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面を対向配置した図である。
【図６】前記実施形態による多関節装置の外観図であり、複数の関節装置を連設した状態図である。
【図７】前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の外観図であり、一方のアームと、異なる関節装置の他方のアームが分離した状態図である。
【図８】前記実施形態による多関節装置の外観図であり、関節装置に不可避的な接触又は抗力が発生した状態図である。
【図９】前記実施形態による多関節装置の外観図であり、関節装置が分離した状態図である。
【図１０】前記一方のアームの他端面と前記異なる関節装置の他方のアームの一端面を対向配置した図であり、他方のアームの一端面に設けられた粘弾性体をモデルで示している。
【図１１】前記一方のアームの他端面の正面図である。
【図１２】前記異なる関節装置の他方のアームの他端面の正面図である。
【図１３】前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の正面図であり、一方のアームと、異なる関節装置の他方のアームが分離する直前の状態図である。
【図１４】図１３に示された一組の関節装置が分離するときの寸法を求める図である。
【図１５】前記実施形態による多関節装置に備わる一組の関節装置の正面図であり、一対の強磁性体が結合した状態図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  一方のアーム
２  他方のアーム
４  第１強磁性体
５  第２強磁性体
１０  関節装置
Ｍ  多関節装置
【図１】
2010000586.tif 000003
【図２】
2010000586.tif 000004
【図３】
2010000586.tif 000005
【図４】
2010000586.tif 000006
【図５】
2010000586.tif 000007
【図６】
2010000586.tif 000008
【図７】
2010000586.tif 000009
【図８】
2010000586.tif 000010
【図９】
2010000586.tif 000011
【図１０】
2010000586.tif 000012
【図１１】
2010000586.tif 000013
【図１２】
2010000586.tif 000014
【図１３】
2010000586.tif 000015
【図１４】
2010000586.tif 000016
【図１５】
2010000586.tif 000017